JP4230110B2 - 高分解能地震データ収集装置 - Google Patents

Description

【０００１】
発明の分野
本発明は海底土壌を地震反射によって、非常に高い分解能をもって、数１０メートルに達する海底土壌深さまで認識するための地震データ収集装置に関するものである。
【０００２】
本発明の技術的背景
現在、海底土壌を認識するため、地震波を発生する各種の地震音波源が使用されている。各地震波発生源はそれぞれの音波発振周波数帯域またはスペクトルによって特徴づけられる。各スペクトルに対して、１つの土壌中音波浸透深さと１つの特定の分解能が対応する。
【０００３】
通常２つの型の音波が使用される。すなわち、一方では、トランスデューサによって作動する音源としての沈積物浸透計またはピンガー（pingers）、他方では、２枚の並列金属板中のフーコー電流によって音波を発生するブーマ（boomers）が使用されている。沈積物浸透計の一例は特許DE 1,046,903 に記載されている。この音源は、必要に応じて２乃至５ｋＨｚに定心することができまた低い浸透度（０乃至１０メートル）を有するが高い分解能を有するスペクトルを発信する。他方、フーコー電流による音波発生器によって放出されるスペクトルは、７００Ｈｚに定心され、従って、より大きな浸透度（０乃至７０メートル）を有するが、０乃至１０メートルの区域において低い分解能を有する。
【０００４】
現在このような理由から、海底沈積物をよく認識するために、これら２つの型の音源のそれぞれの特性を活用するようにこれらの音源を同時に使用する必要がある。しかしこのような技術は、あるいは２つの音源を同時に曳航して２つの相異なる記録計上の２つの音源を同時的に記録しなければならないので電子サイドで有害な干渉作用を生じ、あるいは２つの走査ランを順次実施し、各ランを一方の音源で実施しなければならないので操作が不便である。さらにこの技術は２００メートル以上の水深で作業する場合にはとうてい満足とは言えない。
【０００５】
Ｊ．Ｆ．ゲットトラスト（GETTRUST）等の１９９０年、９月２４日の論文「Development of a Low-Frequency, Deep-Towed Geoaccoustics System」PP.38-40 はＤＴＡＧＥＳの名称で公知の地震データ収集装置を記載している。この装置は１つのキャビティの回りに配置された５個の圧電リングから成り２５０乃至６５０Ｈｚの範囲内の周波数帯域で発信する共振器を含む。
【０００６】
しかしこのような装置はその周波数帯域の狭さの故に性能が低い。さらにその８００ｋｇの大きな重量がその曳航を困難にする。最後に、大深度の海底上方をマルチトレースデータ収集装置と共にトランスデューサを曳航するいわゆる「深海曳航（deep-tow)」技術はきわめて実施困難である。
【０００７】
最近の技術状態を示す米国特許US-5,363,345 から、もっぱら軍事的用途において海中で使用可能のいわゆるヤヌス−ヘルムホルツ（Janws-Helmholts）・トランスデューサが公知である。この装置は特に潜水艦などの水中物体の探査に役立つ。このトランスデューサは、中心体の両側に配置された２つの電気音響モータを含み、これらのモータの軸は水平方向に配置され、また各モータの両端に２つのホーンが固定されている。
【０００８】
フランス特許ＦＲ １，３９７，１４２は電気力学的にまたは油圧的に振動を発生する地震音波源に関するものであり、これらの振動が２枚の脈動板に作用する。しかしこの音源は高い分解能をもって海底土壌を認識することができない。
【０００９】
欧州特許ＥＰ ０，２０９，２３８は本件出願と異なる性質の地震音波源に関するものである。この出願は電気パルス発生器と整合変圧器とを含むからである。
【００１０】
発明の概要
本発明は、これらの問題点を解決しまた沈積物浸透およびブーマに代わることのできる独特の地震音波源、すなわち沈積物の浸透よりはるかにすぐれた浸透力を有しこの浸透力が作動深さの範囲全体にわたってすぐれた解像力と結びつけられた地震音波源を使用して地震データを収集することのできる装置を提案するものである。
【００１１】
また本発明は海中の大深度で性能が劣化することなく使用することのできる地震データ収集装置を提供する。また本発明はさらに小体積と、適度の重量と、大きな操作簡単性を有しまた特に経済的な地震データ収集装置に関するものである。
【００１２】
これらの結果を得るため、本発明は請求項１に記載の海中地震データ収集装置を提供する。
【００１３】
このようにして、本発明は海底地震に関して始めて、任意にプログラム可能な非常に大きな周波数帯域上で高い放出レベルを得るため、コンピュータ、出力増幅器およびインピーダンス整合器をもって低周波数トランスデューサを大周波数帯域および大深度と結びつける方法を提案するものである。
【００１４】
このような海底地震のトランスデューサの使用はそれ自体本発明の新規着想である。なぜかならば、前述のように先行技術においてはこのトランスデューサは潜水艦などの水中物体の検出のためにのみ使用され、またこの用途のために電気音響モータとホーンの軸線が水平方向に配置されていたからである。本発明の目的を成す海底地震に対する応用においては、音波出力を最適制御するために前記の軸線に他の方向、例えば垂直方向を与えることに想到しなければならなかった。トランスデューサの使用が大きな利点を示すにも関わらずトランスデューサを海底地震に使用することを従来誰も考えつかなかったのは驚くべきことである。実際に数百Ｈｚ乃至約１０，０００Ｈｚの間に含まれる音波放出がこの周波数帯域の大部分にわたって２００ｄＢ前後のレベルで得られる。
【００１５】
従って本発明による収集装置はそれだけで沈積物浸透装置およびブーマより高い性能を有する。さらにさらに本発明の装置はこれら２つの音源よりも簡単、軽量で嵩ばらない。
【００１６】
以下、本発明を図面に示す実施例について詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。
【００１７】
好ましい実施態様の詳細な説明
図１と図２について述べれば、本発明による地震データ収集装置１０は大深度で広帯域の低周波数音波を発信するトランスデューサ１２と、オペレータによって導入されたデータを記憶し、これらのデータからトランスデューサによって発信される音波の信号と形を任意にプログラミングするためのコンピュータ１３と、発信された音波に対して所望の出力レベルを与えるためにトランスデューサを制御する出力増幅器１４と、大帯域および出力を整合させるインピーダンス整合器１６と、地震フルートの名称でも知られる音波受信器１８とを含む。
【００１８】
トランスデューサ１２はヤヌス−ヘルムホルツ型である。それ自体公知のように、このトランスデューサはそれぞれ円筒形ケーシングの中に配置された管状の２つの電気音響モータ２０，２２を含み、前記のケーシングは相互に２枚の板２８によって連結された２つの円筒形スリーブ２４，２６から成る。これらのモータはケーシングの軸線ｘ−ｘ’にそって整列させられ、中心体３０の両側に配置される。これらのモータはそれぞれ気密管状ソケット３２，３４中に挿入され、これらのソケットの末端が２つのホーンの回りに密封的に嵌合され、これらのホーンの一方３６のみが図１に図示されている。これらのモータはプレストレス軸３５によって相互に連結され、このプレストレス軸の両端がホーンの外側面３８に対して固着されている。前記の外側面３８は２つのスリーブ２４，２６の軸方向末端の面の中にあり、また前記外側面の外周縁部は前記スリーブの内側面との間に小さな環状間隙４０を成す。
【００１９】
このような連結モードはケーシングに対するホーンの１つの運動自由度を与え、またホーンとケーシングとの間に、部分的に閉鎖された流体キャビティ４６を画成する。
【００２０】
これらのモータは例えば圧電プレートの２つの積層から成り、または励磁コイルによって包囲された磁気歪み円筒体から成ることができる。これらのモータの給電は給電ケーブル５０によって実施され、このケーブルは接続ボックス５２に接続され、この接続ボックスはまたケーブル５４を通して前記インピーダンス整合器１６に接続されている。
【００２１】
トランスデューサ１２は船体５６の中に収容され、この船体は２つの中空殻体５８．６０から成り、これらの殻体はその縁部にそって相互に組立てられている。船体５６は流体力学形状を有し、その後部に尾翼６１を備える。
【００２２】
図１の実施態様において、トランスデューサはその軸線ｘ−ｘ’が垂直となるように配置されている。垂直方向において最大の出力を得ようとする場合にこの配向が選定される。図３はトランスデューサの位置における方向性ダイヤグラムを極座標で示す。この座標系は位置角度で（下に向かう垂直方向について０゜）また等出力円で目盛りがつけられている。トランスデューサは座標系の中心においてその軸線を垂直に配向して図示されている。この方向性曲線は著しく楕円形をなし、その大径が垂直、小径が水平である。トランスデューサによって放出される音波が垂直方向において最大出力を有することが見られる。しかし、最大出力を必要としない若干の用途においては、トランスデューサの軸線は垂直以外の方向に配向できることを理解されたい。
【００２３】
トランスデューサは出力増幅器１４によって制御される。高い放出レベルを得るためには、増幅器はＡＢクラスまたはＤクラスの線形型で、３−９ｋＶＡの出力を出さなければならない。
【００２４】
インピーダンス整合器１６は、トランスデューサの容量を下降させてトランスデューサのインピーダンスを修正するための補償インダクタンスと、トランスデューサの修正されたインピーダンスを出力増幅器の出力インピーダンスに整合させる変圧器と、励磁出力を低下させてトランスデューサの応答を平滑化するためのダンパ抵抗とから成る。
【００２５】
図４に図示のように、２００ｄＢ前後の放出レベルで、６００乃至２０００Ｈｚの範囲内において著しく平坦な周波数スペクトルが得られる。これらの２つの周波数はトランスデューサの２つの第１共振周波数である。２０００Ｈｚを超えるとトランスデューサの応答が低下するが、信号の処理によってこれを修正することができる。従ってこのトランスデューサは１０，０００Ｈｚに達する周波数まで制御することができる。
【００２６】
装置１０は、２乃至５ノットの範囲内の規定探査速度の曳航船によって、任意の水深で曳航される。最良の方向性を保証するための基礎公差は数度である。水平性は後部に配置された浮力容積５７によって制御される。船体は取付け部品５９を含み、この取付け部品上に係留点６２が穿孔され、前記の給電ケーブル５３とは別の牽引ケーブル６４によって船体を曳航する。
【００２７】
それ自体公知のように、地震感知装置１８は、直列に等間隔に取付けられた複数の水中聴音機を収容するケースから成る。この感知装置は船体の後部に曳航され、パス６８を通して、ケーブル６９によって接続ボックス５２に接続される。地震感知装置は亜垂直入射信号を受信することができる。この受信器の能動区画の長さは周波数範囲に対応する空間−時間フィルタを成すように選択される。
【００２８】
結論として、本発明は深い水深で作動することができ、また任意にコンピュータによってプログラミングされ、広い周波数範囲にわたる信号を発生することのできる低周波数地震データの収集装置を提供する。この装置は、数百Ｈｚ乃至約１０，０００Ｈｚの範囲内に含まれる周波数を掃引することができる。放出される信号が完全に知られているので振幅処理を実施することができ、これは現在公知の地震音波源についてはなし得ないことである。このような音源が従来技術の沈積層浸透計およびブーマに代わることができ、従って大きな節約が得られる。その機能は１１，０００メートルに達する最深度を含めてすべての深度において満足する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による海底地震データ収集装置の概略立面図であって特にそのトランスデューサを断面で示す図
【図２】 図１の装置の後面図
【図３】 本発明によるトランスデューサの各位置における指向性ダイヤグラムを示す極座標、
【図４】 放出される音波の周波数の関数として放出レベルの変動を示す曲線図。
【符号の説明】
１０ 地震データ収集装置
１２ 低周波数トランスデューサ
１３ コンピュータ
１４ 出力増幅器
１６ インピーダンス整合器
１８ 受信器
２０，２２ 管状電気−音響モータ
２４，２６ スリーブ
３２，３４ ソケット
３５ プレストレス軸
３６ ホーン
５０ ケーブル
５２ 接続ボックス
５４ ケーブル
５６ 船体
５７ 浮力容量
５８，６０ 殻体
５９ 取付け部品
６１ 尾翼
６２ 係留点
６４ 曳航ワイヤ
６９ ケーブル
ｘ−ｘ’ 電気音響モータの軸線

Claims (3)

1. 海底にむかって音波を放出するための低周波数帯域のヤヌス−ヘルムホルツ型の低周波数トランスデューサ（１２）と、海底の相異なる層によって反射される地震波を捕捉するための複数の水中音波探知機からなる受信器（１８）とを含む型の海中地震データ収集装置において、
   前記トランスデューサ（１２）は、データを記憶しまた放出される音波の信号と形をプログラミングするコンピュータ（１３）と、３乃至９ＫＶＡの出力を与えるＡＢクラスまたはＤクラスの線形出力増幅器とによって制御され、また広帯域と大出力に関して前記トランスデューサに整合させるためのインピーダンス整合器（１６）が前記トランスデューサの前記増幅器との間に搭載され、前記インピーダンス整合器は、トランスデューサの容量を下降させてトランスデューサのインピーダンスを修正するための補償インダクタンスと、トランスデューサの修正されたインピーダンスを出力増幅器の出力インピーダンスに整合させる変圧器と、励磁出力を低下させてトランスデューサの応答を平滑化することのできるダンパ抵抗とから成り、このように制御されたトランスデューサは数百Ｈｚ乃至約１０，０００Ｈｚの帯域にわたる信号を放出し、６００乃至２０００Ｈｚの間の周波数範囲において２００ｄＢ前後の放出レベルを有することを特徴とする海中地震データ収集装置。
2. 前記トランスデューサ（１２）が水力学的形状の船体（５６）の中に配置され、音波の放出方向が選択された任意方向、特に垂直方向に配向されうるように船体の中に搭載されることを特徴とする請求項１に記載の海中地震データ収集装置。
3. 前記トランスデューサが小重量と小体積とを有し、また前記船体に尾翼（６１）を備え、これにより前記トランスデューサは０乃至１１０００メートルの水深において水中を小抵抗をもって曳航されうることを特徴とする請求項１に記載の海中地震データ収集装置。

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